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Bayesian MCMC를 이용한 저수량 점 빈도분석: I. 이론적 배경과 사전분포의 구축
At-site Low Flow Frequency Analysis Using Bayesian MCMC: I. Theoretical Background and Construction of Prior Distribution 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.41 no.1, 2008년, pp.35 - 47  

김상욱 (서울대학교 BK21 안전하고 지속가능한 사회기반건설 사업단) ,  이길성 (서울대학교 공과대학 건설.환경공학부)

초록
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저수분석(low flow analysis)은 수자원공학에서 중요한 분야 중 하나이며, 특히 저수량 빈도분석(low flow frequency analysis)의 결과는 저수(貯水)용량의 설계, 물 수급계획, 오염원의 배치 및 관개와 생태계의 보존을 위한 수량과 수질의 관리에 중요하게 사용된다. 그러므로 본 연구에서는 저수량 빈도분석을 위한 점 빈도분석을 수행하였으며, 특히 빈도분석에 있어서의 불확실성을 탐색하기 위하여 Bayesian 방법을 적용하고 그 결과를 기존에 사용되던 불확실성 탐색방법과 비교하였다. 본 논문의Ⅰ편에서는 Bayesian 방법 중 사전분포(prior distribution)와 우도함수(likelihood function)의 복잡성에 상관없이 계산이 가능한 Bayesian MCMC(Bayesian Markov Chain Monte Carlo) 방법과 Metropolis-Hastings 알고리즘을 사용하기 위한 여러 과정의 이론적 배경과 Bayesian 방법에서 가장 중요한 요소인 사전분포를 구축하고 이를 비교 및 평가하였다. 고려된 사전분포는 자료에 기반하지 않은 사전분포와 자료에 기반한 사전분포로써 두 사전분포를 이용하여 Metropolis-Hastings 알고리즘을 수행하고 그 결과를 비교하여 저수량 빈도분석에 합리적인 사전분포를 선정하였다. 또한 알고리즘의 수행과정에서 필요한 제안분포(proposal distribution)를 적용하여 그에 따른 알고리즘의 효율성을 채택률(acceptance rate)을 산정하여 검증해 보았다. 사전분포의 분석 결과, 자료에 기반한 사전분포가 자료에 기반하지 않은 사전분포보다 정확성 및 불확실성의 표현에 있어서 우수한 결과를 제시하는 것을 확인할 수 있었고, 채택률을 이용한 알고리즘의 효용성 역시 기존 연구자들이 제시하였던 만족스러운 범위를 가지는 것을 알 수 있었다. 최종적으로 선정된 사전분포는 본 연구의 II편에서 Bayesian MCMC방법의 사전분포로 이용되었으며, 그 결과를 기존 불확실성의 추정방법의 하나인 2차 근사식을 이용한 최우추정(maximum likelihood estimation)방법의 결과와 비교하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The low flow analysis is an important part in water resources engineering. Also, the results of low flow frequency analysis can be used for design of reservoir storage, water supply planning and design, waste-load allocation, and maintenance of quantity and quality of water for irrigation and wild l...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • Bayesian 방법을 이용한 모수의 추정은 모수를 미지의 상수로 간주하는 것이 아니라 미지의 난수(random number)로 간주하게 됨으로써 추정의 관심이 되는 모수의 불확실성의 정도를 확률 모형을 이용하여 표현할 수 있게 된다. 결국 Bayesian 방법을 이용한 모수의 추정은 자료로부터 얻은 모수에 대한 정보와 모수에 대한 과거의 경험 또는 주관을 사전분포로 표현함으로써 보다 정확한 모수의 불확실성에 대한 탐색에 그 목적이 있다고 할 수 있다.
  • 그러나 위에서 제시한 저수분석의 중요성에도 불구하고 Bayesian 방법을 사용하여 저수량 빈도분석을 수행하기 위한 일련의 과정들은 연구사례가 상대적으로 적다. 그러므로 본 연구에서는 최근 활발히 사용되고 있는 Metropolis-Hastings 알고리즘(Metorpolis et al.)을 적용한 Bayesian Markov Chain Monte Carlo (Bayesian MCMC)방법을 사용하여 저수량 빈도분석을 수행하고 그 결과를 MLE 이차 근사식을 이용한 결과와 비교하여 두 방법 간의 장단점을 비교하는 연구를 수행하였다. 이를 위하여 연구의 Ⅰ편인 본 논문에서는 연구의 수행을 위해 필요한 이론적 배경을 서술하고 Bayesian 방법을 적용하는데 있어서 중요한 사전분포를 구축하는 연구를 수행하였다.
  • 그러므로, Bayesian MCMC방법을 이용하여 저수량 점 빈도분석을 수행하고자 하는 경우, 자료에 기반하지 않은 무정보적 사전분포보다는 자료에 기반한 사전분포를 사용하는 것이 Bayesian MCMC를 수행하는 데 있어서 합리적일 수 있다는 결론을 얻을 수 있었으며, 본연구의 Ⅱ편에서는 자료에 기반한 사전분포를 이용한 Bayesian MCMC 방법과 MLE 2차 근사방법의 추정결과를 비교함으로써 저수량 빈도분석에 있어서 불확실성을 보다 정확하게 분석하고자 하는 연구를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 자료에 기반한 사전분포를 구축하기 위하여 에르고딕(ergodic)가정을 이용하여 낙동강 유역의 13개 지점의 7Q자료를 이용하여 진동에서의 자료에 기반한 사전분포를 구축하였다. 에르고딕 가정이란 임의 공간에서의 앙상블(ensemble) 평균(또는 공간 평균)과 시간 평균이 같게 된다는 가정으로서 이 가정을 이용하면 Fig.
  • 본 연구의 최종적인 목표는 Bayesian MCMC방법과 MLE 방법을 적용하여 저수량 빈도분석을 각각 수행하고 그 결과를 비교 평가함으로써 저수량 빈도분석을 수행하는 데 있어서 두 방법 간의 장점 및 단점을 분석하는 것이며, 이에 대한 결과는 본 연구의 Ⅱ편을 통하여 언급하였다. 두 가지 방법은 모두 선정된 확률밀도함수를 이용하여 얻어진 우도함수를 필요로 하는 데, 본 연구에서는 2모수 Weibull 분포로부터 얻어진 우도함수를 두 가지 방법에 모두 동일하게 사용하였다.
  • 불확실성을 고려한 점 빈도분석의 수행 연구의 Ⅰ편에 해당되는 본 연구에서는 Bayesian MCMC 방법과 MLE 2차 근사방법을 이용하여 저수량 점 빈도분석에서 추정될 수 있는 불확실성의 표현을 위한 여러 가지 이론적 배경을 서술하였다. 또한 Bayesian MCMC 방법을 적용하는 데 있어서 가장 중요한 요소인 사전분포를 선정함에 있어서 자료에 기반하지 않은 사전분포와 에르고딕 가정을 이용한 자료에 기반한 사전분포를 구축하고, 두 가지 사전분포를 통계적 실험을 통하여 비교함으로써 자료에 기반한 사전분포가 평균값의 추정과 불확실성 측면에서 보다 나은 결과를 돌출함을 확인하였다.
  • )을 적용한 Bayesian Markov Chain Monte Carlo (Bayesian MCMC)방법을 사용하여 저수량 빈도분석을 수행하고 그 결과를 MLE 이차 근사식을 이용한 결과와 비교하여 두 방법 간의 장단점을 비교하는 연구를 수행하였다. 이를 위하여 연구의 Ⅰ편인 본 논문에서는 연구의 수행을 위해 필요한 이론적 배경을 서술하고 Bayesian 방법을 적용하는데 있어서 중요한 사전분포를 구축하는 연구를 수행하였다.
  • 위에서 언급한 바와 같이 저수량 점 빈도분석을 수행하기 위해서는 가장 먼저 확률밀도함수를 선정해야 한다. 저수량 빈도분석을 위한 대상유역의 선정, 자료의 선정 및 특성 등은 본 연구와 병행되어 수행된 동 권의 Ⅱ편 연구인 저수량 빈도분석의 응용 부분에서 상세히 언급하였으므로, 본 연구에서는 적용 대상 유역인 낙동강 유역에서 Bayesian MCMC방법을 적용하기 위한 확률밀도함수의 선정, 사전분포의 유도, 제안분포의 효율성 검토에 연구의 초점을 맞추어 진행하였다.
  • 그러나 이와 같은 에르고딕 가정이 수문학적 범주에서 만족되려면 진동지점을 포함한 14개 지점의 유량 특성이 균일해야 된다는 가정이 만족되어야 한다. 즉 14개 지점으로 대변되는 낙동강유역이 수문학적으로 동질한 유역(hydro- logical homogeneous region)인지를 평가해 볼 필요가 있는 데, 본 연구에서는 Matlab에서 제공하는 K-means 알고리즘을 이용한 군집분석(cluster analysis) 툴 박스와 14개 지점의 36년간 저수기 유량(7, 8, 9월 유량 제외)만을 이용하여 동질성을 판별해 보았다. 그림 2는 군집분석의 결과를 나타낸 것으로 14개 지점이 하나의 동질한 유역으로 묶여졌을 때, 실루엣(silhouette)값이 모두 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
저수량을 나타내기 위하여 가장 흔히 사용되는 것은? 저수분석(low flow analysis)은 수공구조물의 설계, 하천환경의 보전 및 생활 · 공업 · 농업용수의 안전한 취수를 위한 최소 유량의 보장, 오염원의 배치 등 수량과 수질의 관리에 중요하게 사용된다. 년 평균 유량, 절대 최소 유량 등 저수량을 표현하기 위한 많은 지표들이 존재하지만 특정한 년 최소 유량의 시계열 자료를 이용한 빈도분석의 결과가 저수량을 나타내기 위하여 가장 흔히 사용되어 진다. 저수량 분석을 수행하기 위해서 국내에서는 주로 갈수량에 해당되는 355위 유량(Q355)을 이용한 이 값의 10년 평균값(평균 갈수량) 또는 10년 빈도분석 값(기준 갈수량)을 산정하여 사용하고 있으며, 미국 및 영국 등의 국가에서는 7일 지속기간 10년 빈도 유량 (7Q10)을 주로 사용하고 있다.
수자원장기 종합계획, 댐 건설 장기계획 등의 국내 주요 중장기 계획은 빈도분석의 확정적인(deterministic) 값만을 이용하여 수립되고 있으며, 빈도분석결과의 불확실성을 반영한 확률적인(probabilistic) 값이 이용되는 계획은 찾아보기 힘든데 그 이유는? 그러나 수자원장기 종합계획, 댐 건설 장기계획 등의 국내 주요 중장기 계획은 빈도분석의 확정적인(deterministic) 값만을 이용하여 수립되고 있으며, 빈도분석결과의 불확실성을 반영한 확률적인(probabilistic) 값이 이용되는 계획은 찾아보기 힘들다. 이는 불확실성에 대한 인식 부족과 함께 불확실성에 대한 계산방법이 현실을 제대로 반영하지 못함으로써 빈도분석 결과의 정확성에 대한 신뢰도가 낮은 것에 기인한다고 할 수 있다.
저수분석은 어디에 사용되는가? 저수분석(low flow analysis)은 수공구조물의 설계, 하천환경의 보전 및 생활 · 공업 · 농업용수의 안전한 취수를 위한 최소 유량의 보장, 오염원의 배치 등 수량과 수질의 관리에 중요하게 사용된다. 년 평균 유량, 절대 최소 유량 등 저수량을 표현하기 위한 많은 지표들이 존재하지만 특정한 년 최소 유량의 시계열 자료를 이용한 빈도분석의 결과가 저수량을 나타내기 위하여 가장 흔히 사용되어 진다.
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